《The Plant Journal》：Genomic introgressions from wild relatives in the wheat genome alter meiotic dynamics in inter-varietal hybrids
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本文深入探討了利用野生近緣種（如Aegilops ventricosa）進行基因組滲入以豐富面包小麥基因庫的策略。研究重點關(guān)注了來自Aev的2AS/2NS和7DL/7DvL兩個滲入片段，并系統(tǒng)分析了它們在雜交種（Chinese Spring × Renan, CSRe）中對繁殖表現(xiàn)和減數(shù)分裂穩(wěn)定性的影響。文章揭示了滲入片段在雜合背景下可導致染色體異常配對（如桿狀二價體和單價體增多）、交叉（CO）頻率降低以及染色體橋和斷裂等現(xiàn)象，從而影響雜交種的育性。研究開發(fā)了基于寡核苷酸的熒光原位雜交（oligo-FISH）新方法，精確追蹤了滲入染色體的減數(shù)分裂行為，為理解外源基因滲入的細胞學機制及優(yōu)化小麥育種策略提供了重要見解。
面包小麥是全球最重要的谷類作物之一，但其基因庫的狹窄限制了應對可持續(xù)農(nóng)業(yè)和氣候變化挑戰(zhàn)的能力。利用野生近緣種的遺傳多樣性進行基因組滲入是拓寬遺傳基礎的有效策略。然而，這些滲入片段如何影響品種間雜交后代的減數(shù)分裂穩(wěn)定性和育性，此前知之甚少。
本研究聚焦于兩個著名的滲入案例：法國小麥品種Renan攜帶的、源自四倍體野生種Aegilops ventricosa的2AS/2NS和7DL/7DvL染色體片段易位。前者攜帶一簇抗病基因（Lr37/Yr17/Sr38/Cre5），后者攜帶抗眼斑病基因Pch1。研究以Renan、不攜帶這些滲入的參照品種Chinese Spring以及它們的雜交種CSRe為材料，系統(tǒng)評估了滲入對繁殖和減數(shù)分裂的影響。
結(jié)果
CSRe雜交種的花粉活力和小花育性降低
與親本Chinese Spring和Renan接近100%的育性和花粉活力相比，CSRe雜交種表現(xiàn)出輕微的小花育性下降（97.33%）和顯著的花粉活力降低（86.37%）。這表明滲入片段在雜合背景下可能對生殖發(fā)育產(chǎn)生了負面影響。
CSRe雜交種的減數(shù)分裂行為受到影響
通過構(gòu)建包括野生供體Aev在內(nèi)的完整減數(shù)分裂圖譜，研究發(fā)現(xiàn)親本Chinese Spring和Renan的減數(shù)分裂高度穩(wěn)定，主要形成環(huán)狀二價體，平均交叉數(shù)分別為41.06和41.37。野生種Aev也表現(xiàn)出典型的二倍體化減數(shù)分裂行為，形成14個二價體，但在后期I和后期II觀察到染色體橋，暗示其減數(shù)分裂調(diào)控可能不如小麥嚴格。
相比之下，CSRe雜交種的減數(shù)分裂出現(xiàn)顯著異常：環(huán)狀二價體數(shù)量減少（16.96），桿狀二價體（3.65）和單價體（0.78）數(shù)量增加，導致平均交叉數(shù)顯著降低至37.57。從后期I到四分體時期，頻繁觀察到染色體橋和染色體斷裂現(xiàn)象，約26.11%的四分體存在染色體斷裂。這些異常直接關(guān)聯(lián)到其降低的花粉活力。
準確細胞遺傳學檢測2AS/2NS和7DL/7DvL滲入
為精確追蹤滲入染色體在減數(shù)分裂中的行為，研究團隊開發(fā)了針對染色體2和7的特異性寡核苷酸熒光原位雜交（oligo-FISH）探針。這些探針能特異性地標記Chinese Spring的特有區(qū)域、Renan的特有滲入?yún)^(qū)域以及兩者共有的同源區(qū)域，從而在細胞水平上清晰區(qū)分并定位這些染色體片段。
桿狀二價體的形成在親本中與滲入無關(guān)
在親本Chinese Spring和Renan中，即使存在桿狀二價體，攜帶滲入的2A和7D染色體也幾乎總是以環(huán)狀二價體的形式存在。這表明在純合背景下，滲入片段本身并不導致異常的染色體配對。
2AS/2NS和7DL/7DvL滲入對CSRe雜交種桿狀二價體頻率的影響不同
在CSRe雜交種中，情況截然不同。所有被分析的細胞都含有桿狀二價體。針對2A染色體的分析顯示，只有32%的細胞中滲入片段位于環(huán)狀二價體上，其余68%的細胞中，它們位于桿狀二價體的末端或著絲粒附近區(qū)域，甚至出現(xiàn)在未配對的單價體上。這一比例遠高于隨機預期（~5%），表明2AS/2NS滲入顯著干擾了雜交種中同源染色體的正常配對和重組。
然而，對于7DL/7DvL滲入，在96%的CSRe細胞中，該片段仍穩(wěn)定地位于環(huán)狀二價體上，僅有4%的細胞出現(xiàn)在桿狀二價體末端，與隨機分布無顯著差異。這說明兩個滲入片段在雜交種中的減數(shù)分裂行為存在顯著差異。
討論
Aev呈現(xiàn)二倍體化減數(shù)分裂
本研究首次構(gòu)建了Aev的細胞學減數(shù)分裂圖譜，確認其規(guī)則的二倍體化行為，但也發(fā)現(xiàn)了染色體橋，提示其同源重組控制機制可能不同于普通小麥，例如可能缺乏類似Ph1（TaZip4-B2）這樣的強效調(diào)控基因。
雜合的Aev滲入干擾雜交種減數(shù)分裂
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，當滲入片段處于雜合狀態(tài)時（CSRe雜交種），會嚴重擾亂減數(shù)分裂，導致桿狀二價體、單價體增多，交叉減少，并伴隨染色體斷裂和橋。這可能是由于：（1）兩個品種中控制減數(shù)分裂的基因（或等位基因）組合不當；（2）滲入片段上存在能以反式作用影響整個減數(shù)分裂過程的基因；（3）滲入片段與小麥對應區(qū)域序列差異過大或存在染色體結(jié)構(gòu)變異，阻礙了配對和重組。單價體的產(chǎn)生尤其有害，可能導致非整倍體配子和育性下降。
CSRe雜交種中攜帶2AS/2NS滲入的染色體結(jié)構(gòu)更易受影響
在雜交種中，2A染色體比7D染色體更頻繁地出現(xiàn)異常配對。這可能與小麥D基因組染色體本身變異較小、同源性較高有關(guān)，使得7D染色體即使攜帶滲入也能有效配對。相反，A基因組變異較大，加上2A短臂遠端存在來自野生種的大片段滲入，可能嚴重干擾了通常起始于染色體末端的聯(lián)會過程，從而導致環(huán)狀二價體形成失敗。盡管在細胞學上觀察到2A染色體短臂區(qū)域存在交叉，但基于遺傳圖譜數(shù)據(jù)，該交叉很可能發(fā)生在滲入片段附近而非之內(nèi)，具體位置需要更高分辨率的技術(shù)（如結(jié)合MLH1免疫熒光）來確認。
結(jié)論與展望
盡管利用野生近緣種進行基因滲入是拓寬小麥遺傳基礎的寶貴策略，但本研究揭示，滲入片段在雜合背景下可能對減數(shù)分裂穩(wěn)定性和育性產(chǎn)生意想不到的負面影響。這種影響因滲入片段所在的基因組背景和位置而異。研究結(jié)果強調(diào)了在小麥育種中，需要密切關(guān)注外源染色體片段在雜合狀態(tài)下的細胞學行為，以規(guī)避可能產(chǎn)生的遺傳障礙。所建立的oligo-FISH方法為在單細胞水平追蹤滲入染色體行為提供了強大工具。未來需要進一步研究滲入干擾減數(shù)分裂的分子機制，并評估不同遺傳背景下滲入的穩(wěn)定性，以更有效地利用野生遺傳資源，培育高產(chǎn)、抗逆、適應氣候變化的新小麥品種。
